KR20180072369A - 광학측정장치 - Google Patents

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손일나
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엘지전자 주식회사
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Abstract

본 실시 예에 따른 광학측정장치는, 미리 설정된 파장영역의 빛을 조사하는 발광부, 상기 발광부로부터 조사된 빛에 의해 대상신호를 발생하는 측정 대상물이 수용되는 측정판, 상기 측정판의 일 측에 구비되며, 상기 대상신호가 통과하도록 배치되는 제 1 수광필터, 상기 제 1 수광필터의 일 측에 구비되며, 상기 제 1 수광필터를 통과한 상기 대상신호를 집속시키는 수광렌즈, 상기 수광렌즈의 일 측에 구비되며, 상기 수광렌즈에 의해 집속된 상기 대상신호가 통과하도록 배치되는 제 2 수광필터, 상기 제 2 수광필터의 일 측에 구비되며, 상기 제 2 수광필터를 통과한 상기 대상신호를 감지하는 수광부를 포함한다.

Description

광학측정장치{Optical measuring device}
본 발명은 단순화 및 소형화된 광학측정장치에 관한 것이다.
최근 건물들은 에너지 절감을 위하여 외부 기체의 도입을 최소화하고 기밀화됨에 따라, 실내공기 오염이 점점 심각해지는 추세이다. 이에 따라, 실내 오염 물질에 대한 각종 법적 규제가 점차 강화되고 있다.
상기 실내 오염물질에는, (1) 미세 먼지, 석면 등과 같은 입자상 오염 물질, (2) 이산화탄소, 포름알데히드, 휘발성 유기화합물(VOC, volatile organic comopounds) 등과 같은 기체상 오염 물질, 및 (3) 바이러스, 곰팡이, 박테리아 등의 생물학적 오염 물질이 포함될 수 있다.
특히, 상기 생물학적 오염물질은, 사용자의 건강에 악영향을 미칠 수 있다. 최근에는, 이러한 생물학적 오염물질의 양을 측정하고, 이에 기초하여 실내공기를 정화하는 기술이 개발되고 있다.
이러한 기술과 관련된 선행문헌 정보는 아래와 같다.
(1) 제 1 선행문헌 : 등록특허 10-1418295 (2014년 7월 4일 등록), 크기/형광의 동시적 측정에 의한 병원체 검출
상기 제 1 선행문헌은, 특정 파장의 광원을 통해 미생물 세포로부터의 형광을 검출하여 공기 중 부유 및 액상 부유 미생물과 미세먼지 등으로 동시에 검출하는 장치 및 방법에 관한 것으로서, 타원형 거울, 레이저 공급원, 노즐, 복수의 렌즈, 입자 검출기 및 형광 검출기를 포함하고, 미세유로를 통해 측정하고자 하는 공기나 물을 통과시키고 지나가는 입자를 실시간으로 모니터링 하여 형광량을 통해 검출하는 것을 특징으로 한다.
(2) 제 2 선행문헌 : 공개특허 10-2014-0016923 (2014년 2월 10일 공개), 미생물 검출장치 및 방법
상기 제 2 선행문헌은, 반사경, 광원, 복수의 렌즈, 2개의 검출기, 필터 및 빔 차단기를 포함하고, 각 방향으로 산란되는 입자를 실시간으로 모니터링 하여 형광량을 통해 검출하는 것을 특징으로 한다.
이러한 선행문헌에 따른 종래의 광학측정장치에 의하면, 아래와 같은 문제점이 발생한다.
(1) 종래의 광학측정장치는 다소 복잡한 구조로 많은 부품을 필요로하고, 고가의 레이저 및 렌즈 등을 사용하게 되어 장치를 제작하는 비용이 많이 투입되어야 하는 문제점이 있었다.
(2) 그리고, 종래의 광학측정장치는 그 부피가 크고, 단일의 장치로서 특정장소에 위치되어야 하므로, 특정 가전제품이나 휴대용 기기에 구비하는 것이 제한되는 문제점이 있었다.
(3) 또한, 미생물 등의 양 또는 농도를 측정하기 위하여, 미생물 등에 별도의 형광처리를 수반해야 하는 공정상의 어려움이 있었다.
본 실시 예는 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 간단한 구조로 구현되며 소형화되어 다른 제품에 장착되거나 휴대용으로 제작가능한 광학측정장치를 제안하는 것을 목적으로 한다.
본 실시 예에 따른 광학측정장치는, 미리 설정된 파장영역의 빛을 조사하는 발광부, 상기 발광부로부터 조사된 빛에 의해 대상신호를 발생하는 측정 대상물이 수용되는 측정판, 상기 측정판의 일 측에 구비되며, 상기 대상신호가 통과하도록 배치되는 제 1 수광필터, 상기 제 1 수광필터의 일 측에 구비되며, 상기 제 1 수광필터를 통과한 상기 대상신호를 집속시키는 수광렌즈, 상기 수광렌즈의 일 측에 구비되며, 상기 수광렌즈에 의해 집속된 상기 대상신호가 통과하도록 배치되는 제 2 수광필터, 상기 제 2 수광필터의 일 측에 구비되며, 상기 제 2 수광필터를 통과한 상기 대상신호를 감지하는 수광부를 포함한다.
상기 발광부, 상기 측정판, 상기 제 1 수광필터, 상기 수광렌즈, 상기 제 2 수광필터 및 상기 수광부가 설치되는 광학하우징을 더 포함할 수 있다.
상기 광학하우징에는 상기 발광부가 설치되는 입광통로와, 상기 제 1 수광필터, 상기 수광렌즈, 상기 제 2 수광필터 및 상기 수광부가 설치되는 수광통로가 형성될 수 있다.
상기 입광통로 및 상기 수광통로는 각각 일직선으로 연장되고, 상기 입광통로와 상기 수광통로의 교차점에 상기 측정판이 배치될 수 있다.
상기 입광통로와 상기 수광통로는 상기 측정판을 기준으로 미리 설정된 경로각도(θ)를 형성할 수 있다.
상기 경로각도(θ)는 예각일 수 있다.
상기 입광통로 및 상기 수광통로의 표면은 빛의 반사를 방지하기 위해 산화처리될 수 있다.
상기 입광통로 및 상기 수광통로에는 상기 발광부, 상기 제 1 수광필터, 상기 수광렌즈, 상기 제 2 수광필터 및 상기 수광부가 설치되는 복수의 설치홈이 형성될 수 있다.
상기 광학하우징에는 부유 미생물을 포함하는 공기가 유동하는 공기통로가 더 형성될 수 있다.
상기 제 1 수광필터, 상기 수광렌즈, 상기 제 2 수광필터 및 상기 수광부는 상기 수광통로에 차례대로 배치될 수 있다.
상기 광학하우징은 가로길이가 35~40mm, 세로길이가 20~30mm로 마련될 수 있다.
상기 제 1 수광필터는 제 1 파장 이상의 빛을 통과시키고, 상기 제 2 수광필터는 제 2 파장 이상의 빛을 통과시키도록 마련되고, 상기 제 1 파장과 상기 제 2 파장은 서로 다를 수 있다.
상기 제 1 파장은 432~452nm이고, 상기 제 2 파장은 490~510nm일 수 있다.
상기 발광부와 상기 측정판 사이에 배치되는 입광필터와 입광렌즈를 더 포함할 수 있다.
상기 발광부에서 상기 측정판으로 향하는 빛의 제 1 경로와, 상기 측정판에서 상기 수광부로 향하는 빛의 제 2 경로는 미리 설정된 경로각도(θ)를 형성할 수 있다.
상기 수광부로 수신된 대상신호를 출력하고 분석하는 판단부를 더 포함할 수 있다.
상기 수광부로 수신된 대상신호를 증폭하는 증폭부를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 실시 예에 따른 광학측정장치는, 측정 대상물이 수용되는 측정판, 상기 측정판을 향해 미리 설정된 파장영역의 빛을 조사하는 발광부, 상기 발광부로부터 조사된 빛에 의해 상기 측정 대상물에서 발생되는 대상신호를 감지하는 수광부, 상기 측정판과 상기 수광부 사이에 배치되는 복수의 수광필터를 포함하고, 상기 수광필터는 제 1 파장 이상의 빛을 통과시키는 제 1 수광필터와, 제 2 파장 이상의 빛을 통과시키는 제 2 수광필터를 포함하고, 상기 제 1 파장과 상기 제 2 파장은 서로 다르다.
상기 제 1 수광필터와 상기 제 2 수광필터 사이에 배치되는 수광렌즈를 더 포함할 수 있다.
상기 발광부와 상기 측정판 사이에 배치되는 입광필터와 입광렌즈를 더 포함할 수 있다.
제안되는 실시 예에 따르면, 소형의 광학측정장치가 구비되어 공기 조화장치 등 다른 제품에 설치될 수 있으며, 사용자가 휴대하여 사용할 수 있다.
또한, 소형화에 따라 발광부로부터 측정판을 향하는 빛의 경로 및 상기 측정판으로부터 수광부를 향하는 빛의 경로의 길이가 짧게 형성되므로, 측정대상물 등으로부터 발산되는 형광신호의 수집율이 개선될 수 있다는 장점이 있다.
또한, 상기 수광부의 전면에 상기 리보플라빈의 발광 파장 영역만을 검출할 수 있도록 복수의 수광필터를 설치하여, 산란광 및 노이즈 등이 상기 수광부에 측정되지 않아 미생물 등의 양을 상대적으로 정확하게 측정할 수 있다는 효과가 있다.
또한, 미생물 등에 별도의 형광처리를 할 필요없이, 미생물 등에 포함되는 리보플라빈의 흡광 또는 발광현상을 이용하여 형광신호를 구현할 수 있으므로, 광학측정장치를 통한 측정과정이 단순해 질 수 있다는 효과가 있다.
또한, 종래의 광원(발광부)에 비하여 가격이 저렴한 레이저 다이오드를 이용하여 발광부를 구성하므로, 장치의 제작비용이 저렴해 질 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광학측정장치의 구성을 보여주는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광학측정장치의 발광부에서 측정판까지의 빛의 경로를 보여주는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광학측정장치의 측정판에서 수광부까지의 빛의 경로를 보여주는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광학측정장치의 증폭부 및 판단부에 관한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 광학측정장치의 구성을 보여주는 개략도이다.
이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 구체적인 실시 예를 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이다.
본 발명의 광학측정장치는 미생물이나 생체유래물질에 있는 입자가 특정파장대에서 반응하여 방출하는 대상신호를 광학소자를 이용하여 측정하여 공기 중의 미생물 등의 농도 또는 청정도를 측정할 수 있도록 구성된다.
일례로, 상기 대상신호는, 405nm 파장대의 발광신호를 받으면, 565nm 파장대의 형광신호를 발산하는 '리보플라빈'의 형광신호일 수 있다.
이하에서는, 도면을 참조하여 상기 광학측정장치(1)의 구성을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광학측정장치(1)의 구성을 보여주는 개략도이다.
본 발명의 실시 예에 따른 광학측정장치(1)는 내부에 복수의 통로가 구비된 광학하우징(10)으로 마련된다.
도 1에 도시된 바와 같이 상기 광학하우징(10)의 외관은 일정 두께를 가진 사각형상으로 마련될 수 있다.
특히, 상기 광학하우징(10)의 외관은 가로길이가 35~40mm, 세로길이가 20~30mm로 마련될 수 있다. 이러한 길이는 광학측정을 위해 필요한 초점거리에 의하여 결정된 것으로 종래의 광학측정장치와 비교할 때 매우 작은 크기이다. 따라서, 상기 광학하우징(10)은 타 장치에 설치가능할 뿐만 아니라 휴대용으로도 사용가능하다는 장점이 있다.
상기 광학하우징(10)의 내부에는 입광통로(11)와 수광통로(15)가 구비된다. 상기 입광통로(11)와 상기 수광통로(15)는 상기 광학하우징(10)의 내부에 각각 일직선상으로 연장되도록 마련된다.
상기 입광통로(11)와 상기 수광통로(15)는 미리 설정된 경로각도(θ)를 형성할 수 있다. 즉, 상기 입광통로(11)와 상기 수광통로(15)는 서로 평행하지 않고 교차지점을 갖도록 배치된다.
또한, 상기 광학측정장치(1)는 발광부(20), 측정판(40) 및 수광부(30)를 포함한다.
상기 발광부(20)는 미리 설정된 파장영역의 빛을 조사하도록 상기 입광통로(11)에 설치된다. 상기 발광부(20)에서 조사된 빛은 상기 측정판(40)으로 향하게 된다.
상기 발광부(20)에는, 레이저 다이오드(Laser Diode)가 포함된다. 상기 레이저 다이오드는 설정된 파장값 또는 파장영역의 광을 조사할 수 있다. 일례로, 상기 미리 설정된 파장값은 405nm이며, 상기 파장영역은 395 ~ 415nm일 수 있다.
그리고, 상기 레이저 다이오드의 출력은 설정된 출력 이하의 값을 가질 수 있다. 만약, 상기 레이저 다이오드의 출력이 너무 높아지게 되면, 상기 측정판(40)에 수용된 측정 대상물을 측정하기 전에 파괴하는 문제점이 발생할 수 있다. 일례로, 상기 설정된 출력값은 20mW일 수 있다.
상기 측정판(40)은 상기 입광통로(11)와 상기 수광통로(15)의 교차지점에 배치된다. 상기 측정판(40)에는 측정을 필요로 하는 측정 대상물이 수용될 수 있다.
측정 대상물은 상기 측정판(40)에 직접 포집되거나, 포집되어 상기 측정판(40)에 놓여질 수 있다. 또한, 다양한 형태로 측정 대상물은 상기 측정판(40)에 측정가능하게 수용될 수 있다.
예를 들어, 측정판(40)은 기판 및 상기 기판의 표면에 구비되는 방전전극으로 마련될 수 있다. 상기 기판은 절연 기판으로서, 일례로 사파이어 기판(sapphire wafer)을 포함한다. 상기 사파이어 기판은 소수성의 성질을 가지므로, 공기 중 포함된 물 성분이 상기 기판에 포집되는 것이 방지될 수 있다. 그리고, 상기 사파이어 기판은 매우 높은 경도를 가지므로, 그 마모가 방지될 수 있다.
상기 방전전극은 상기 기판의 표면에 코팅될 수 있다. 상세히, 상기 방전전극은 상기 기판의 표면에 메쉬(그물망) 타입으로 구비될 수 있다. 따라서, 발광부(20)로부터 조사된 빛이 상기 측정판(40)로 이동하면, 상기 빛의 적어도 일부분은 상기 방전전극이 구비되지 않는 면을 통하여 투과될 수 있다.
상기 방전전극에 고전압이 인가되면 강한 전기장이 형성되며, 상기 방전전극과 접지전극 사이의 전압 차이에 의하여 코로나 방전이 발생될 수 있다. 그리고, 상기 코로나 방전시 발생되는 음이온(-) 또는 양(+)이온은 상기 측정 대상물과 대전되며, 이에 따라 상기 측정 대상물은 하전될 수 있다. 하전된 측정 대상물은 상기 측정판(40)에 포집될 수 있다.
이는 측정 대상물이 상기 측정판(40)에 직접 포집되는 일 예를 설명한 것이다. 또한, 미리 채집된 측정 대상물이 상기 측정판(40)에 놓여지는 경우, 측정판(40)은 단순한 평판의 형태로 마련될 수 있다.
다만, 측정판(40)은 전달되는 빛의 적어도 일부를 투과시키는 재질로 구성될 수 있다. 따라서, 상기 측정판(40)에 전달된 빛의 적어도 일부는 상기 측정판(40)를 투과할 수 있다.
만약, 상기 측정판(40)이 투과 불가한 소재로 구성되는 경우, 상기 측정판(40)으로 전달된 빛이 모두 반사 또는 산란됨으로, 대상신호를 정확하게 감지하는 것이 제한되는 문제점이 나타날 수 있다.
상기 발광부(20)로부터 조사된 빛에 의해 측정 대상물은 대상신호를 발생한다. 이때, 대상신호는 리보플라빈(riboflavin)의 형광신호일 수 있다.
상세히, 상기 측정 대상물에는, 리보 플라빈이 포함된다. 상기 리보 플라빈은, 미생물에 포함되어 있는 조효소로서 이해될 수 있다.
즉, 상기 발광부(20)로부터 조사되는 미리 설정된 빛의 파장영역은 강한 집속 빔을 얻을 수 있는 파장영역으로서, 상기 리보 플라빈에 작용하여 발현되는 생체 형광신호를 증가할 수 있도록 결정된 파장영역인 것으로 이해될 수 있다.
위와 같이, 측정 대상물에 포함된 리보 플라빈의 흡광 또는 발광현상을 이용하여 형광신호가 구현되도록 함으로써, 측정 대상물에 별도의 형광 처리가 필요하지 않다는 장점이 있다.
다시 말하면, 상기 발광부(20)로부터 조사된 빛에 의해 측정 대상물에 포함된 리보플라빈은 특정 파장영역의 대상신호를 발생한다.
상기 수광부(30)는 상기 대상신호를 감지하도록 상기 수광통로(15)에 배치된다. 즉, 상기 측정판(40)에서 발생된 상기 대상신호는 상기 수광부(30)로 향하게 된다.
상기 수광부(30)에는, 상기 리보플라빈의 형광신호를 수신하는 소자이며, 미리 설정된 파장값 또는 파장영역의 빛에 민감도(sensitivity)가 뛰어난 소자가 포함된다.
상기 미리 설정된 파장값 또는 파장영역은, 상기 측정 대상물에 포함된 리보플라빈의 발광 파장대역만을 검출하고, 공기 중에 포함된 미세 먼지의 산란광 등을 측정하지 않도록 결정된 값 또는 영역일 수 있다. 일례로, 상기 미리 설정된 파장값은 565nm이며, 상기 파장영역은 555 ~ 575nm일 수 있다.
일례로, 상기 수광부(30)에는, 포토 다이오드(Photo Diode)가 포함되며, 상기 포토 다이오드는 상대적으로 반응시간이 짧은 특성을 가진다.
또한, 상기 포토 다이오드는 565nm 파장대의 형광신호를 읽을 수 있고, 동일 입력값에서 노이즈가 적은 소자를 사용할 수 있다. 이때, rise and fall time, 바이어스 전압(bias voltage), 암전류(dark current) 등을 고려할 수 있다.
상기 발광부(20)에서 상기 측정판(40)으로 조사되는 빛이 향하는 경로를 '제 1 경로'라 한다. 또한 상기 측정판(40)에서 상기 수광부(30)로 향하는 대상신호, 즉 반사되는 빛이 향하는 경로를 '제 2 경로'라 한다.
제 1 경로와 제 2 경로는 미리 설정된 경로각도(θ)를 형성할 수 있다. 이는 위에 설명한 상기 입광통로(11)와 상기 수광통로(15)가 형성하는 미리 설정된 경로각도(θ)와 동일하다.
미리 설정된 경로각도(θ)는 예각으로 마련된다. 즉, 미리 설정된 경로각도(θ)는 90도보다 작게 설계된다.
경로각도(θ)가 90도보다 큰 각, 즉, 직각이거나 둔각인 경우, 상기 발광부(20)로부터 조사된 빛이 상기 측정판(40)에서 반사되어 상기 수광부(30)로 직접 이동하는 경향이 커진다. 따라서, 측정 대상물로부터 발생하는 대상신호의 수신이 저감되고 그 정확도가 낮아지는 문제점이 나타난다.
따라서, 본 실시 예는 상기 경로각도(θ)를 상기 미리 설정된 각도 범위로 제안하여, 상기 형광신호의 수신 감도를 개선할 수 있다는 효과가 있다.
상기 입광통로(11) 및 상기 수광통로(15)의 표면은 빛의 반사를 방지하기 위해 산화처리될 수 있다. 자세하게는, 빛이 이동하는 상기 광학하우징(10) 내부 표면은 산화처리된 금속으로 마련될 수 있다.
산화처리는 표면을 무광 및 어둡게하여 난반사된 빛이 반사되지 않고 흡수되도록 한다. 난반사된 빛이 다시 반사되지 않음으로 상기 제 1 경로 및 상기 제 2 경로에 영향을 주지 않고, 그에 따라 측정결과가 보다 정확하게 토출될 수 있다.
또한, 광학측정장치(1)는 상기 발광부(20)와 상기 측정판(40)의 사이에 배치되는 입광필터(22)와 입광렌즈(24)를 더 포함할 수 있다.
상기 입광렌즈(24)는 상기 발광부(20)의 일 측에 설치될 수 있다. 상기 입광렌즈(24)는 "집광 렌즈"라 이름할 수 있으며, 상기 발광부(20)에서 조사된 빛을 모아주는 기능을 수행할 수 있다.
일례로, 상기 발광부(20)에서 조사된 빛은 약 10°정도의 발산 각도를 가지게 되며, 이에 따라 상기 발광부(20)에서 조사된 빛은 상기 측정판(40)을 향하여 이동하는 과정에서 점점 발산되는 경로를 가지게 된다. 따라서, 상기 입광렌즈(24)를 상기 발광부(20)의 출구측에 설치하여, 상기 측정판(40)을 향하는 빛을 평행광으로 만들어 줄 수 있다.
이때, 상기 입광렌즈(24)는 상기 발광부(20)에서 조사된 빛을 효과적으로 모아줄 수 있도록, 상기 발광부(20)와 소정의 간격으로 이격되어 배치된다. 일례로, 상기 발광부(20)와 상기 입광렌즈(24) 사이의 간격은 상기 측정판(40) 위에 광이 선명하게 보이는 거리로 마련될 수 있다.
상기 입광필터(22)는 상기 입광렌즈(24)의 일 측에 설치될 수 있다. 일례로, 상기 입광필터(22)는 상기 입광렌즈(24)의 광 출구측, 즉 상기 입광렌즈(24)를 통과한 빛이 통과할 수 있는 위치에 설치될 수 있다.
상기 입광필터(22)는 상기 발광부(20)로부터 조사된 광으로부터 미리 설정된 파장영역의 빛만 통과할 수 있도록 기능한다. 상기 발광부(20)로부터, 미리 설정된 파장영역(395~415nm) 이외의 빛이 조사되는 경우, 상기 빛은 상기 입광필터(22)를 통과하는 과정에서, 상기 미리 설정된 파장영역만 통과되도록 필터링될 수 있다. 상기 입광필터(22)를 "레이저 라인필터(Laser Line Filter)"라 이름할 수 있다.
이때, 상기 입광필터(22) 및 상기 입광렌즈(24)는 입광통로(11)에 배치된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 입광필터(22), 상기 입광렌즈(24) 및 상기 발광부(20)는 입광통로(11)에 차례로 배치된다.
또한, 광학측정장치(1)는 상기 측정판(40)과 상기 수광부(30)의 사이에 배치되는 복수의 수광필터(32, 36)와 수광렌즈(34)를 더 포함할 수 있다.
상기 수광필터(32, 36)는 상기 측정 대상물로부터 발생되는 상기 대상신호가 통과할 수 있도록 마련된다. 즉, 상기 대상신호가 아닌 신호를 차단하는 기능을 한다.
일례로, 상기 수광필터(32, 36)는, 상기 발광부(20)로부터 조사된 빛의 파장영역이 통과되지 못하도록 기능할 수 있다. 따라서, 상기 발광부(20)로부터 조사된 빛 중, 상기 측정판(40)에 반사하여 이동하는 빛은, 상기 수광필터(32, 36)를 지나면서 필터링 될 수 있다. 상기 수광필터(32, 36)를, "롱패스 필터(Long Pass Filter)"라 이름할 수 있다.
상기 수광필터에는, 제 1 파장 이상의 빛을 통과시키는 제 1 수광필터(32)와, 제 2 파장 이상의 빛을 통과시키는 제 2 수광필터(36)가 포함된다.
이때, 상기 제 1 파장과 상기 제 2 파장은 서로 다른 파장영역대이다.
예를 들어, 상기 제 2 파장은 상기 제 1 파장보다 길게 마련될 수 있다. 일례로, 상기 제 1 파장은 442nm이거나, 432nm ~ 452nm의 파장영역을 가질 수 있고, 상기 제 2 파장은 500nm이거나, 490nm ~ 510nm의 파장영역을 가질 수 있다.
상기 수광렌즈(34)는 상기 제 1 수광필터(32)와 상기 제 2 수광필터(36)의 사이에 배치된다. 상기 수광렌즈(34)는 집광 렌즈로서, 상기 입광렌즈(24)와 동일한 종류의 렌즈로 구성될 수 있다.
상기 제 1 수광필터(32)는 상기 측정판(40)의 일 측에 구비되며, 상기 수광렌즈(34)는 상기 제 1 수광필터(32)의 일 측에 구비된다. 또한, 상기 제 2 수광필터(36)는 상기 수광렌즈(34)의 일 측에 구비되며, 상기 수광부(30)는 상기 제 2 수광필터(36)의 일 측에 구비된다.
즉, 상기 측정판(40)에서 반사된 빛을 상기 제 1 수광필터(32)가 한 번 필터링하고, 상기 수광렌즈(34)에 의해 집속된 빛을 상기 제 2 수광필터(36)가 다시 필터링 한다.
난반사에 의해 상기 제 1 수광필터(32)에서 필터링되지 못한 빛이 상기 수광렌즈(34)에 의해 집속됨에 따라 상기 제 2 수광필터(36)에서 필터링될 수 있다. 그에 따라 수광부(30)에서 측정하고자 하는 대상신호를 보다 정확하게 측정할 수 있다.
이때, 상기 제 1, 2 수광필터(32, 36) 및 상기 수광렌즈(34)는 수광통로(15)의 내부에 배치된다. 따라서, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 수광필터(32), 상기 수광렌즈(34), 상기 제 2 수광필터(36) 및 상기 수광부(30)는 수광통로(15)에 차례로 배치된다.
즉, 상기 입광통로(11)와 상기 수광통로(15)의 교차지점에는 상기 측정판(40)이 배치되고, 상기 입광통로(11)에는 상기 측정판(40)과 인접하게 상기 입광필터(22), 상기 입광렌즈(24) 및 상기 입광부(20)가 차례로 배치되고, 상기 수광통로(15)에는 상기 측정판(40)과 인접하게 상기 제 1 수광필터(32), 상기 수광렌즈(34), 상기 제 2 수광필터(36) 및 상기 수광부(30)가 차례로 배치된다. 각각의 구성들은 미리 결정된 간격으로 이격되어 차례로 배치될 수 있다.
상기 입광통로(11) 및 상기 수광통로(15)에는, 상기 발광부(20), 상기 입광필터(22), 상기 입광렌즈(24), 상기 제 1 수광필터(32), 상기 수광렌즈(34), 상기 제 2 수광필터(35) 및 상기 수광부(30)가 설치되는 복수의 설치홈(50)이 형성될 수 있다.
복수의 설치홈(50)은 상기 입광통로(11) 및 상기 수광통로(15)에 미리 결정된 간격으로 이격되어 마련될 수 있다. 각 설치홈(50)은 상기 입광통로(11) 및 상기 수광통로(15)에서 외측으로 돌출된 형태로 마련될 수 있다. 즉, 설치홈(50)이 마련된 곳은 마련되지 않은 곳보다 넓은 단면적을 가진다.
각 설치홈(50)에 상기 발광부(20), 상기 입광필터(22), 상기 입광렌즈(24), 상기 제 1 수광필터(32), 상기 수광렌즈(34), 상기 제 2 수광필터(36) 및 상기 수광부(30)가 끼워지거나 조립될 수 있다.
또한, 상기 광학하우징(10)에는 측정 대상물을 포함하는 공기가 유동하는 공기통로(17)가 더 형성될 수 있다. 공기통로(17)는 상기 측정판(40)으로 측정 대상물이 포집되도록 마련된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 공기통로(17)는 상기 입광통로(11) 및 상기 수광통로(15)와 상기 측정판(40)이 배치된 교차지점에서 만나도록 상기 광학하우징(10)의 내부에 일 직선상으로 연장된다.
앞서 설명한 바와 같이, 측정 대상물은 상기 측정판(40)에 의해 포집되거나, 포집된 상태로 상기 측정판(40)에 수용될 수 있다. 도 1 내지 도 4에서는 공기통로(17)가 마련된 광학측정장치(10)를 도시하여 측정 대상물이 상기 측정판(40)에 의해 포집되는 경우를 설명한다.
이하, 광학측정장치(1)에 의한 측정방법을 구체적으로 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 광학측정장치(1)의 발광부(20)에서 측정판(40)까지의 빛의 경로(제 1 경로)를 보여주는 개략도이다.
상기 공기통로(17)를 통해 측정 대상물을 포함하는 공기가 유입되어 상기 측정판(40)에 측정 대상물이 포집된다. 앞서 설명한 바와 같이 상기 측정판(40)에 구비된 방전전극에 고전압이 인가되어 발생되는 코로나 방전에 의해 공기 중 측정 대상물이 하전되어 포집될 수 있다.
그리고, 상기 발광부(20)가 작동하여, 미리 설정된 파장영역의 빛을 조사한다. 상기 조사된 빛은 상기 입광렌즈(24) 및 입광필터(22)를 통과하여, 상기 측정판(40)에 전달된다.
그리고, 빛의 적어도 일부분은 상기 측정판(40)를 투과하여 이동하며 다른 일부분은 상기 측정판(40)에서 반사될 수 있다.
상기 측정판(40)에 전달된 빛 중 적어도 일부의 빛은 상기 측정판(40)에 수용된 측정 대상물에 포함되는 리보플라빈에 작용한다. 그에 따라 측정 대상물은 형광신호, 즉 측정하려는 대상신호를 발생시킨다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 광학측정장치(1)의 측정판(40)에서 수광부(30)까지의 빛의 경로(제 2 경로)를 보여주는 개략도이다.
상기 대상신호는 상기 수광통로(15)로 전달되며, 상기 제 1 수광필터(32), 상기 수광렌즈(34) 및 상기 제 2 수광필터(36)를 통과하여 상기 수광부(30)에 전달된다.
앞서 설명한 바와 같이, 상기 대상신호 외의 반사된 빛은 상기 제 1 수광필터(32) 및 상기 제 2 수광필터(36)에 의해 필터링된다. 복수의 수광필터에 의해 필터링되어 상기 수광부(30)에서 보다 정확하게 대상신호를 측정할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 광학측정장치(1)의 증폭부(60) 및 판단부(70)에 관한 도면이다.
또한, 광학측정장치(1)에는, 상기 수광부(30)로 수신된 대상신호를 증폭하는 증폭부(60)가 더 포함될 수 있다.
상기 증폭부(60)는 상기 수광부(30)에서 나오는 전기신호를 수만 배에서 수억 배 증폭하여 출력한다. 즉, 상기 수광부(30)에서 나오는 전기신호(A)를 증폭된 전기신호(B)로 변환하는 기능을 한다.
그에 따라, 광학측정장치(1)의 단순화 및 소형화에 따라 측정이 불가능한 대상신호의 분석을 가능하게 한다.
또한, 광학측정장치(1)에는, 상기 수광부(30)로 수신된 대상신호를 출력하고 분석하는 판단부(70)가 더 포함될 수 있다.
상기 판단부(70)는 증폭된 전기신호(B)를 인식하여 상기 측정판(40)에 수용된 측정 대상물의 양 또는 농도를 판단할 수 있다. 즉, 판단부(70)는 측정된 대상신호를 분석하여 측정 대상물의 농도 또는 환경 청정도를 판단한다.
일례로, 상기 판단부(70)는 형광신호와 대기환경에 있는 미생물, 생체유래물질 등의 농도 간의 상관회귀분석을 통해 미생물 농도 또는 환경청정도를 판단할 수 있다.
또한, 광학측정장치(1)는 상기 대상신호로부터 측정 대상물의 양 또는 농도에 관한 정보를 표시하는 디스플레이 장치(80)를 포함할 수 있다.
상기 디스플레이 장치(80)는 광학측정장치(1)와 별도의 장치로 마련될 수 있다. 상기 디스플레이 장치(80)는 상기 판단부(70)와 유선 또는 무선으로 연결되어 데이터를 전송받을 수 있다. 상기 디스플레이 장치(80)에 측정 대상물에 관한 정보를 가시화하여 사용자가 편리하게 이를 확인할 수 있다.
예를 들어, 상기 디스플레이 장치(80)는 측정 대상물 입자의 농도 값 또는 환경 청정도에 따라 다른 색상을 디스플레이할 수 있다. 일례로, 상기 측정 대상물의 농도가 낮거나 환경 청정도가 좋은 경우 녹색을 표시하고, 농도 및 청정도가 중간값 정도일 경우 노란색을 표시하고 농도가 높거나 청정도가 나쁜 경우 빨간색으로 표시할 수 있다.
또한, 광학측정장치(1)는 타 제품에 설치되어 데이터를 전송할 수 있다. 예를 들어, 공기청정기에 설치되어 측정된 대상 측정물에 관한 정보를 공기청정기의 디스플레이부에 전달하여 가시화할 수 있다.
도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이 광학측정장치(1)는 사각형상의 광학하우징(10)으로 마련될 수 있다. 그러나 이는 일 예에 불과하며 광학측정장치(1)는 다양한 형상으로 마련될 수 있다. 이하, 다른 일 예에 대하여 설명한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 광학측정장치(1a)의 구성을 보여주는 개략도이다.
도 5에 도시한 광학측정장치(1a)는 앞서 설명한 광학측정장치(1)에서 공기통로(17)를 제외하고 동일한 구성을 가진다. 이하, 동일한 부분은 앞서 설명한 광학측정장치(1)의 설명을 인용하고 차이점만 설명한다.
상기 광학측정장치(1a)는 일정 두께를 가진 대략 삼각형상의 광학하우징(10a)으로 마련된다. 상기 광학하우징(10a)의 내부에는 미리 설정된 경로각도(θ)를 형성하는 상기 입광통로(11)와 상기 수광통로(15)가 마련된다.
상기 경로각도(θ)는 예각으로 마련되어 상기 입광통로(11)와 상기 수광통로(15)는 삼각형상으로 마련될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이 상기 경로각도(θ)가 예각으로 마련됨에 따라 상기 대상신호의 수신 감도를 개선할 수 있다.
다시 말하여, 상기 입광통로(11), 상기 수광통로(15), 상기 입광통로(11) 및 상기 수광통로(15)와 교차하는 일 직선이 삼각형을 이룬다. 그에 따라 상기 광학하우징(10a)은 삼각형상으로 마련된다.
이는 상기 입광통로(11), 상기 수광통로(15) 외에 다른 구성을 모두 생략함으로서 상기 광학측정장치(1a)의 전체적인 크기를 줄이고 단순화시킬 수 있다. 그에 따라 필요로 하는 공간에 설치가 쉽고, 공기조화기 등의 장치에 존재하는 불필요한 공간에 광학측정장치(1)를 설치할 수 있다는 장점이 있다.
따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 광학측정장치는 단순화 및 소형화된 장치로 측정 대상물을 측정할 수 있다.
1 : 광학측정장치 10 : 광학하우징
11 : 입광통로 15 : 수광통로
20 : 발광부 22 : 입광필터
24 : 입광렌즈 30 : 수광부
32 : 제 1 수광필터 34 : 수광렌즈
36 : 제 2 수광필터 40 : 측정판
50 : 설치홈 60 : 증폭부
70 : 판단부 80 : 디스플레이 장치

Claims (17)

  1. 미리 설정된 파장영역의 빛을 조사하는 발광부;
    측정 대상물이 수용되는 측정판;
    상기 측정판의 일 측에 구비되며, 상기 대상신호가 통과하도록 배치되는 제 1 수광필터;
    상기 제 1 수광필터의 일 측에 구비되며, 상기 제 1 수광필터를 통과한 상기 대상신호를 집속시키는 수광렌즈;
    상기 수광렌즈의 일 측에 구비되며, 상기 수광렌즈에 의해 집속된 상기 대상신호가 통과하도록 배치되는 제 2 수광필터;
    상기 제 2 수광필터의 일 측에 구비되며, 상기 제 2 수광필터를 통과한 상기 대상신호를 감지하는 수광부;
    를 포함하는 광학측정장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 발광부, 상기 측정판, 상기 제 1 수광필터, 상기 수광렌즈, 상기 제 2 수광필터 및 상기 수광부가 설치되는 광학하우징을 더 포함하는 광학측정장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 광학하우징에는 상기 발광부가 설치되는 입광통로와, 상기 제 1 수광필터, 상기 수광렌즈, 상기 제 2 수광필터 및 상기 수광부가 설치되는 수광통로가 형성된 것을 특징으로 하는 광학측정장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 입광통로 및 상기 수광통로는 각각 일직선으로 연장되고, 상기 입광통로와 상기 수광통로의 교차점에 상기 측정판이 배치되는 것을 특징으로 하는 광학측정장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 입광통로 및 상기 수광통로의 표면은 빛의 반사를 방지하기 위해 산화처리된 것을 특징으로 하는 광학측정장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 입광통로 및 상기 수광통로에는 상기 발광부, 상기 제 1 수광필터, 상기 수광렌즈, 상기 제 2 수광필터 및 상기 수광부가 설치되는 복수의 설치홈이 형성된 것을 특징으로 하는 광학측정장치.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 광학하우징에는 부유 미생물을 포함하는 공기가 유동하는 공기통로가 더 형성되는 것을 특징으로 하는 광학측정장치.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 수광필터, 상기 수광렌즈, 상기 제 2 수광필터 및 상기 수광부는 상기 수광통로에 차례대로 배치되는 것을 특징으로 하는 광학측정장치.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 광학하우징은 가로길이가 35~40mm, 세로길이가 20~30mm로 마련되는 것을 특징으로 하는 광학측정장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 수광필터는 제 1 파장 이상의 빛을 통과시키고, 상기 제 2 수광필터는 제 2 파장 이상의 빛을 통과시키도록 마련되고,
    상기 제 1 파장과 상기 제 2 파장은 서로 다른 것을 특징으로 하는 광학측정장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 파장은 432~452nm이고, 상기 제 2 파장은 490~500nm인 것을 특징으로 하는 광학측정장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 발광부와 상기 측정판 사이에 배치되는 입광필터와 입광렌즈를 더 포함하는 광학측정장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 발광부에서 상기 측정판으로 향하는 빛의 제 1 경로와, 상기 측정판에서 상기 수광부로 향하는 빛의 제 2 경로는 미리 설정된 경로각도(θ)를 형성하는 것을 특징으로 하는 광학측정장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 수광부로 수신된 대상신호를 증폭하는 증폭부를 더 포함하는 광학측정장치.
  15. 측정 대상물이 수용되는 측정판;
    상기 측정판을 향해 미리 설정된 파장영역의 빛을 조사하는 발광부;
    상기 발광부로부터 조사된 빛에 의해 상기 측정 대상물에서 발생되는 대상신호를 감지하는 수광부;
    상기 측정판과 상기 수광부 사이에 배치되는 복수의 수광필터;를 포함하고,
    상기 수광필터는 제 1 파장 이상의 빛을 통과시키는 제 1 수광필터와, 제 2 파장 이상의 빛을 통과시키는 제 2 수광필터를 포함하고,
    상기 제 1 파장과 상기 제 2 파장은 서로 다른 것을 특징으로 하는 광학측정장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제 1 수광필터와 상기 제 2 수광필터 사이에 배치되는 수광렌즈를 더 포함하는 광학측정장치.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 발광부와 상기 측정판 사이에 배치되는 입광필터와 입광렌즈를 더 포함하는 광학측정장치.
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